自浮力冰下航行器

吕长军,林祖杰,袁跃峰（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江　舟山　316022）



自浮力冰下航行器

吕长军,林祖杰,袁跃峰
（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山316022）

摘 要：使用自主式水下航行器（AUV），可以有效解决冰上恶劣环境因素影响科研、施工的问题。自主式水下航行器在海洋科学调查、海洋资源开发以及军事领域得到越来越广泛的应用。本文研究一种冰下倒置的自主式水下航行器，改变水下航行器以往的运动方式，采用小车形状的机器在冰下运行，使得工作环境相对稳定、工作方式简化、工作效率提高。

关键词：水下航行器；PID控制；自浮力

1　引言

AUV无论在军事上还是在国民经济中都有着广泛的应用，国内外都对AUV给予了高度重视[1-3]。目前，研究的主要领域有几个主要方面[4]：

（1）情报搜集。在海军人员和潜艇无法进入的海域，进行情报搜集、监视和侦查。

（2）水雷对抗。UUV的使用极大地提高了海军的水雷对抗能力。

（3）通信中继。利用UUV作为通信接口，完成水面舰船和潜艇之间、指挥中心和水面舰船之间以及其它平台之间的通信。

（4）海洋环境监测。平时对特殊海域的海洋环境和影响战术活动的因素进行监视和数据统计，建立数据库供战时使用。

（5）其它应用领域。比如后勤支援和深水救难等。

本文研究一种冰下倒置的自浮力自主式水下航行器，以陆地上的车为原型，有利于让机器获得更稳定的工作环境。用于海洋科学调查、海洋资源开发等，有利于提高效率，避免了冰面上积雪难以行进的缺点，且不受冰上复杂地形的限制。

2　水下航行器结构

水下航行器的主要结构包括：前轮、后轮、前轮箱、后轮箱、连接部分。其中前轮为左、右单独驱动的形式，在前轮箱中安装电动机、驱动器、传动机构、向上灯光等；后轮为从动轮，后轮箱中安装各种传感器、向下灯光；中间连接部分采用柔性材料，工作中可以具有一定的变形量，这是为了让航行器能在不平坦的冰面上，始终与冰面贴合稳定运行。

2.1前轮、后轮

前轮、后轮采用铝合金齿轮外缘，这样的结构是用于增加航行器与冰面的抓合力，驱动航行器工作。航行器力学模型分析如图1所示。

当航行器以速度v稳定运动时，航行器轮半径为R，电机到轮的传动比为i，效率为η。分析如下：

可根据工作环境的不同要求选择航行器电机的型号。

2.2其他结构

前后轮箱的主要作用是安置工作仪器以及提供自浮力，结构为六棱柱形状的密封筒。连接部分使用较为柔韧的橡胶材料，当运动环境不稳定时具有吸震的作用，使航行器可以在前轮与后轮之间形成一定夹角的情况下稳定运行。

3　协调控制

水下航行器的执行装置采用模块化的设计方法，需要控制航行器的加减速、转向等运动状态，则需设计执行机构模块及其相应的控制模块，然后将各模块通过CAN总线与上层决策系统进行连接，从而实现水下航行器的自动操控。本文采用两个电机分别控制左、右前轮的运动状态。

3.1转向控制

在航行器工作中，前轮是由无刷直流电机驱动的。改变左右轮的电压使电压不同，则改变了电机转速使得两轮速度不同，达到转向的作用。取其中一个电机分析如下，加在直流电机电枢回路两端的控制电压为u ，电流为i，电机转子的转角为，电机的等效电阻和电感分别为R、L，电机的电势系数为，则电枢回路的电压平衡方程：

本文中使用电机功率小，且电感系数L很小，若忽略不计则：

可得电机的工作受力关系式：

3.2速度控制

水下航行器运动状态包括加速、减速和匀速运行，采用转速、电流反馈控制直流调速系统，保证运行的稳定性不受环境变换的影响。双闭环直流调速系统的稳态结构如图2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出先负电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。

双闭环调节系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：

4　控制系统

根据实际工作要求设计航行路线，使用人工遥控或PID控制的方法，控制航行器的加速、减速或转向，并且比较实际工作路线与设计路线的差别，并通过负反馈调节路线，控制航行器准确的达到预期的工作位置，控制系统图如图3。达到控制效果所需要的硬件结构，主要有定位GPS、芯片、传感器、工作电机、解码器等。

4.1控制方法

PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，其中一个关键的问题是PID参数的整定，传统的方法是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定参数，实际应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。针对其参数整定不良、性能欠佳，对被控过程的适应性差等缺点采用模糊控制与自适应PID控制结合起来，设计了模糊自适应PID控制器。利用模糊推理方法实现对PID参数的在线自整定，进一步完善PID控制器的性能，提高系统的控制精度。本文采用自适应模糊PID控制，自动整定控制参数，能够适应被控过程参数的变化，又具有常规PID控制器的优点。

4.2控制系统硬件

水下航行器的控制系统硬件以MK60DN512ZVLL10芯片为核心，硬件系统结构包括定位器、串行通信单元、传感器、解码器、电源转化单元、复位电路、数据存储单元、Can接口、驱动器；操纵控制器根据速度传感器和定位器分别输入工作时的速度和位置信息，速度传感器把检测到的信息输入给解码器，定位器把航行器位置通过串行通行单元输入，芯片处理输入信息，并通过Can接口输出信息控制速度驱动器和转向驱动器，从而控制航行器运动状态；复位电路实现软硬件两种模式的复位；电源转化单元给硬件系统供电。

5　总结

本文研究了一种自浮力冰下航行器，并且对力学、控制模块进行建模，理论的推导。

参考文献：

[1]马伟锋,胡震. AUV的研究现状与发展趋势[J].火力与指挥控制，2008,33(06):10-13.

[2]胡玉梅.无人水下航行器的发展与展望[J].电子世界，2013(14):71-72.

[3]夏长亮，方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报，2012,27(03):25-34.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.195